基于PLC 的果蔬采摘機(jī)械手系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

蒲維杰

（臨夏現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院，甘肅 臨夏 731100）

0 引言

臨夏縣位于甘肅省東南部，是一個(gè)水果資源豐富的地區(qū)。其地理位置和氣候條件為多種水果的生長提供了理想的環(huán)境，使得臨夏的水果以品質(zhì)優(yōu)良和品種豐富而聞名。隨著近年來生活水平的提高和綠色健康食品需求的增加，臨夏縣大力發(fā)展果業(yè)生產(chǎn)，特別是在蘋果和梨的種植上已形成較大的生產(chǎn)規(guī)模。其產(chǎn)品不僅銷往國內(nèi)市場，也出口到海外，贏得了良好的市場聲譽(yù)。然而，果業(yè)的快速發(fā)展也帶來了新的挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)的人工采摘方式已經(jīng)無法滿足日益增長的市場需求，同時(shí)也面臨著勞動(dòng)力成本上升和勞動(dòng)力老齡化的問題。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，臨夏縣正逐步引入果蔬采摘的機(jī)械化和自動(dòng)化技術(shù)。采用先進(jìn)的PLC 技術(shù)[1-5]的果蔬采摘機(jī)械手不僅可以有效提高采摘效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還能保證水果的采摘質(zhì)量。這種技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了水果產(chǎn)量和質(zhì)量，還大大降低了生產(chǎn)成本，加速了臨夏縣農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的步伐?？傮w而言，臨夏縣的水果產(chǎn)業(yè)正處于一個(gè)不斷發(fā)展和升級的階段。通過引入自動(dòng)化和智能化技術(shù)，不僅提升了產(chǎn)業(yè)的競爭力，也為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來了更多的經(jīng)濟(jì)效益，從而有助于推動(dòng)臨夏縣乃至整個(gè)甘肅省的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1采摘方案對比

在果蔬采摘機(jī)械手的應(yīng)用中，主要有三種采摘方式：旋轉(zhuǎn)式、拉拽式和刀具剪切式。旋轉(zhuǎn)式采摘雖簡單，但易損傷成熟果實(shí)；拉拽式雖快速，但操作粗暴，可能損害果實(shí)。相比之下，刀具剪切式采摘法雖然復(fù)雜，需要額外的刀具，但它在保持果實(shí)完整性方面表現(xiàn)更佳。考慮到果實(shí)完整性對運(yùn)輸和儲存的重要性，刀具剪切式成為更優(yōu)選擇，盡管操作上較為復(fù)雜，但能有效避免果實(shí)損傷，保證其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，綜合各方面因素，刀具剪切式是最合適的采摘方法。

1.1.2機(jī)械手的組成

果蔬采摘機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)的組成如下。

1）手部：機(jī)械手夾持果蔬的部位。

2）刀具：用于剪斷果蔬和枝干的連接。

3）臂部：支持夾手運(yùn)動(dòng)的部位。

4）機(jī)座：機(jī)械手用于支撐機(jī)械臂的部位。

5）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：用于提供機(jī)械手臂部、機(jī)械手夾手和刀具運(yùn)動(dòng)動(dòng)力。

由上述執(zhí)行系統(tǒng)和其他設(shè)備組成果蔬采摘機(jī)械手，如圖1所示。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)組成

1.2 控制方案設(shè)計(jì)

1.2.1自動(dòng)采摘控制設(shè)計(jì)

果蔬采摘機(jī)械手的核心技術(shù)之一是視覺系統(tǒng)，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)，精準(zhǔn)識別和定位目標(biāo)果蔬。這一系統(tǒng)通過CMOS 傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，隨后工業(yè)攝像機(jī)捕捉的模擬信號被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。在這個(gè)過程中，每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值代表光強(qiáng)，這些值被存儲在CMOS芯片的矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。工控計(jì)算機(jī)處理這些信號，并指導(dǎo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。在采摘過程中，機(jī)械手利用CDC 攝像機(jī)作為視覺控制系統(tǒng)的感應(yīng)器，識別果蔬的具體位置[6-10]。視覺系統(tǒng)分析后，控制小車移動(dòng)至采摘點(diǎn)。機(jī)械手到位并復(fù)位后，通過伸縮氣缸伸出夾手，夾緊果蔬。一旦確認(rèn)果蔬被穩(wěn)固夾住，夾手通過氣缸回縮，同時(shí)刀具剪斷果蔬與枝干的連接。剪斷操作完成后，夾手?jǐn)y帶果蔬通過機(jī)械臂的擺動(dòng)氣缸移至儲存點(diǎn)，將果蔬放入儲存?zhèn)}。隨后，機(jī)械臂復(fù)位至初始位置，視覺系統(tǒng)檢測儲存?zhèn)}重量，確認(rèn)無超重情況后，控制小車移動(dòng)至下一個(gè)采摘點(diǎn)。通過上述流程，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了果蔬采摘的自動(dòng)化。

1.2.2手動(dòng)采摘控制設(shè)計(jì)

果蔬采摘機(jī)械手同時(shí)具備手動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)夾手伸出、回縮、果蔬摘取和儲存等功能。

PLC 機(jī)械手復(fù)位到采摘點(diǎn)：擺動(dòng)氣缸右旋機(jī)械手到達(dá)采摘點(diǎn)。

夾手前伸：伸縮氣缸前伸到達(dá)抓取果蔬位置。

夾手回縮：伸縮氣缸回縮到原位。

夾手夾緊/松開：實(shí)現(xiàn)對果蔬的抓取和儲存。

2 PLC程序設(shè)計(jì)和仿真

2.1 啟停程序設(shè)計(jì)

本文使用三菱GX Works2 軟件進(jìn)行PLC 程序的編寫，該編程軟件是FX 系列PLC 的中文編程軟件。啟動(dòng)、暫停程序：按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)、手動(dòng)程序才能運(yùn)行，按下暫停按鈕X015（上升沿觸發(fā)）啟動(dòng)輔助繼電器M0 斷電，自動(dòng)程序跳轉(zhuǎn)到最后一段（即P0處），自動(dòng)、手動(dòng)程序暫停。再按一次，自動(dòng)程序繼續(xù)運(yùn)行。啟動(dòng)程序如圖2所示。

圖2 啟動(dòng)程序

自動(dòng)、手動(dòng)程序轉(zhuǎn)換：按下自動(dòng)按鈕X020，M88輔助繼電器得電，自動(dòng)指示燈亮起，手動(dòng)程序不能運(yùn)行。同理，按下手動(dòng)按鈕X021，M99 輔助繼電器得電，手動(dòng)指示燈亮起，自動(dòng)程序不能運(yùn)行。自動(dòng)、手動(dòng)程序轉(zhuǎn)換程序如圖3所示。

圖3 自動(dòng)、手動(dòng)程序轉(zhuǎn)換程序

2.2 自動(dòng)程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)程序要具備采摘點(diǎn)識別到位X0、啟動(dòng)輔助繼電器M0 得電等條件才能自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)，條件得到滿足后M18 輔助繼電器得電夾手前伸，前伸觸發(fā)限位開關(guān)后M18 斷電，M10 得電夾手夾緊。夾手夾持自動(dòng)程序如圖4所示。

圖4 夾手夾持自動(dòng)程序

夾手夾緊時(shí)若夾不到果蔬，則夾緊限位得電，M19、M11得電夾手回縮松開，然后重復(fù)上述程序，夾手重新伸出夾緊果蔬。夾手復(fù)位自動(dòng)程序如圖5所示。

圖5 夾手復(fù)位自動(dòng)程序

夾手夾住果蔬，壓力傳感器得電，M20 得電夾手回縮，回縮至限位開關(guān)X006 得電，M20 斷電回縮停止。M13得電，刀具對果蔬進(jìn)行切割。切割果蔬自動(dòng)程序如圖6所示。

圖6 切割果蔬自動(dòng)程序

刀具切割后X012 開關(guān)量傳感器檢測到果蔬與枝干斷開后得電，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到儲存點(diǎn)。左旋自動(dòng)程序如圖7所示。

圖7 左旋自動(dòng)程序

機(jī)械手到達(dá)儲存點(diǎn)后，夾手松開。夾手松開自動(dòng)程序如圖8所示。

圖8 夾手松開自動(dòng)程序

夾手松開到達(dá)限位開關(guān)X007 得電，經(jīng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)2 s 后，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)復(fù)位到原位。復(fù)位后，若儲存點(diǎn)載重達(dá)標(biāo)，自動(dòng)程序停止；若未達(dá)載重上限，識別系統(tǒng)控制小車到達(dá)下一個(gè)果蔬采摘點(diǎn)繼續(xù)采摘。右旋1、右旋2 自動(dòng)程序如圖9、圖10所示。

圖9 右旋1 自動(dòng)程序

圖10 右旋2自動(dòng)程序

3 結(jié)論和展望

筆者經(jīng)過前期對果蔬采摘機(jī)械手的了解研究后開始設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制方案，控制方案現(xiàn)已達(dá)到預(yù)期效果。果蔬采摘機(jī)械手能夠通過PLC 控制器和其他傳感器的配合，進(jìn)行果蔬的自動(dòng)采摘和儲存。在果蔬采摘過程中，既能手動(dòng)控制也能自動(dòng)控制，同時(shí)，在發(fā)生故障時(shí)能夠按下停止或急停按鈕并發(fā)出報(bào)警信號。在本次設(shè)計(jì)過程中筆者能十分清晰地認(rèn)識到實(shí)踐在機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中非常重要，并且在自動(dòng)化設(shè)計(jì)中要具備充足的理論知識。